WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
ФИЗИКА ФИЗИКА ИЗМЕНЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЗАКОНОВ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Н. Б. ДЕЛОНЕ Московский физико-технический институт (государственный университет), Долгопрудный Московской обл.

1. ВВЕДЕНИЕ Фундаментальные закономерности, которым подчиCHANGE OF THE FUNDAMENTAL LAWS няется окружающий нас мир, представляют первостеOF THE NATURAL SCIENCES пенный интерес для всего общества образованных людей (см., например [1]).

N. B. DELONE Сейчас трудно установить, когда человек начал анализировать окружающий мир. За много тысячелеDiscovery of the corpuscle-wave duality of the тий, прошедших с тех пор, у человечества сначала подmicroparticles showed that the classical deterсознательно, а потом и осознанно сложилась вполне minism is correct only in the macro-world, but определенная картина окружающего мира. Говоря соthe laws of micro-world have a stochastic временным языком, это трехмерный мир, в котором nature. The way by which L. de Broglie has справедливы аристотелева, двузначная (либо да, либо нет) логика, принцип причинности, а все процессы came to the formulation of his hypothesis and протекают по законам классической физики. К концу the experiments which have confirmed this XIX века никто не сомневался в справедливости этих hypothesis are discussed.

фундаментальных закономерностей.

Однако в начале XX века были сделаны выдающиеся Открытие корпускулярно-волнового дуаоткрытия, убедительно показавшие, что эти фундаменлизма свойств микрочастиц показало, что тальные закономерности реализуются лишь в макромире, а в микромире закономерности иные. Разделение классический детерминизм справедлив мира на макро- и микромир определяется той ролью, лишь в макромире, а законы микромира нокоторую играет постоянная Планка. В микромире она сят вероятностный характер. Обсуждаиграет определяющую роль, а в макромире ею можно ются тот путь, который привел Луи де пренебречь (см., например, [2]), за исключением некоБройля к формулировке гипотезы о корпус- торых экзотических эффектов [3].

кулярно-волновом дуализме свойств микро- Фундаментальным открытием в физике микромира явилась гипотеза французского физика Луи де Бройчастиц, а также эксперименты, которые ля (1899–1987) о корпускулярно-волновом дуализме подтвердили эту гипотезу.

природы микрочастиц. Из этой гипотезы и факта ее экспериментального подтверждения выросла новая волновая (квантовая) механика как метод описания микромира. Гипотеза де Бройля широко известна, она формулируется и обсуждается во всех монографиях и учебниках, посвященных физике микромира и квантовой механике, а также во многих научно-популярных книгах, в том числе написанных как самим де Бройлем [4], так и другим основателем квантовой механики, www.issep.rssi.ru В. Гейзенбергом [5]. Данная статья посвящена гипотезе де Бройля и ее экспериментальному подтверждению, СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №6, Делоне Н.Б., © ФИЗИКА при этом существенное внимание уделено тому состо- Надо отметить, что сделанный выше вывод спраянию физики, которое было в конце XIX века и яви- ведлив лишь при нескольких дополнительных предполось тем фундаментом, на котором выросла новая фи- ложениях [6], носящих, однако, частный характер.

зика. Речь, конечно, пойдет не о всей физике в целом, Заканчивая этот раздел, еще раз подчеркнем, что в а о тех ее главах, которые непосредственно связаны с конце XIX века детерминизм классической механики обсуждаемым вопросом: о механике, физике микрочапредставлялся совершенно незыблемым фундаменстиц и оптике.

тальным законом природы. Это положение оказывало влияние и на другие разделы естествознания. В рамках 2. СОСТОЯНИЕ МЕХАНИКИ, интересующих нас проблем можно указать на оптику и ФИЗИКИ МИКРОЧАСТИЦ конкретно на корпускулярную модель света, согласно И ОПТИКИ К НАЧАЛУ XX ВЕКА которой он распространяется прямолинейно в пространстве. Другой пример – это физика электрона и других микрочастиц, движение которых описывалось теа. Механика ми же законами классической механики, что и падение Классическая механика, часто именуемая механикой яблок с яблони или движение планет вокруг Солнца.

Ньютона, представляет собой образец системы закоСоздание специальной теории относительности в нов природы, в которых полностью доминирует детерконце XIX и самом начале XX века (преобразования минизм. Хорошо известно утверждение П. Лапласа:

Х. Лоренца, “К электродинамике движущихся сред” “Дайте мне данные всех частиц, и я вам предскажу буА. Эйнштейна), то есть дополнение ньютоновской медущее мира”. В основе классической механики лежит ханики релятивистской механикой, никак не поколепринцип причинности, обусловливающий упорядоченбало исходные позиции детерминизма в механике.

ность событий в пространстве и во времени как вперед, так и назад. Следуя принципу причинности, состояние б. Физика микрочастиц системы в предшествующий момент времени полностью определяет ее состояния в последующие моменты В отличие от классической механики исследования времени и наоборот. Математически строгое доказа- микрочастиц к началу XX века были в начальной стательство этого утверждения легче всего увидеть, если дии. Лишь в самом конце XIX века в результате серии уравнения классической механики представить в виде экспериментов В. Крукса, Ж. Перрена, Дж.Дж. Томпгамильтоновых канонических уравнений для одной час- сона и Ч. Вильсона был открыт электрон. Результаты тицы во внешнем поле: этих экспериментов показали, что электрон представляет собой микрочастицу, отрицательно заряженную, H H имеющую массу порядка 10- 27 г (что примерно в q = ------- = –-------, k = 1, 2, 3, … (1) -, pk qk раз меньше массы атома водорода), распространяющуюся в вакууме при отсутствии внешних полей прямоВ (1) H = T + U – полная энергия частицы, являющаяся линейно и отклоняющуюся под действием электричессуммой кинетической энергии T и потенциальной кого или магнитного полей. Такие свойства электрона энергии U во внешнем поле, qk – координаты, pk – имнаходились в полном соответствии как с классической пульсы частицы. Для частицы в трехмерном пространмеханикой, так и с классической электродинамикой.



стве k = x, y, z. Таким образом, имеются шесть диффеВ 1913 году Э. Резерфорд предложил планетарную ренциальных уравнений первого порядка относительно модель атома с электронами, вращающимися вокруг времени. Их решение позволяет выразить все qk и pk как атомного ядра, а Н. Бор сформулировал свои знаменифункции времени и шести произвольных постоянных:

тые постулаты, определяющие строение атома. При qk = qk(t; C1, C2, …, C6), pk = pk(t; C1, C2, …, C6). (2) этом не возникало никаких сомнений, что этот новый и еще детально не изученный субатомный мир микроЕсли, например, для момента времени t = 0 известчастиц описывается законами классической механики.

ны все q0 и p0, то, подставляя эти величины в (2), можk k Единственный эксперимент тех лет вызывал недоно вычислить все шесть постоянных C1, C2, …, C6. Если умение – это эксперимент К. Дэвиссона 1921–1922 гоэти постоянные известны, то (2) позволяет предсказать дов, в котором наблюдался процесс рассеяния элекqk и pk для любого момента времени t, как t > 0, так и тронов тонкими металлическими фольгами. Было t < 0. Таким образом, из начального состояния можно обнаружено, что при падении пучка электронов на предсказать состояние для любого последующего или фольгу электроны рассеиваются в широкий диапазон предыдущего момента времени, что и есть определение углов, а распределение по углам носит характер сглапринципа причинности. женных максимумов и минимумов. Между тем для ДЕЛОНЕ Н.Б. ИЗМЕНЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЗАКОНОВ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ ФИЗИКА рассеяния достаточно узкого пучка достаточно моно- решению этого парадокса. Он не стал искать ответа на хроматических электронов классическая механика пред- этот вопрос в рамках волновой теории, а постулировал, сказывала, что электроны должны рассеиваться также в следуя Планку, квантовую природу света. Это предвиде узкого пучка, направленного под определенным положение дало объяснение всем экспериментальным углом к падающему пучку. Предположили, что наблю- данным. Уравнение Эйнштейна даемый эффект является результатом наличия неодноh = T + A, (3) родностей на поверхности фольги.

в котором T – кинетическая энергия электрона, а A – в. Оптика работа выхода электрона из металла, представляет собой закон сохранения энергии. При этом предполагаВ конце XIX века ситуация, сложившаяся в оптике, соется, что энергия поглощенного при фотоэффекте вершенно не предвещала тех драматических событий, кванта света равна h, где h – постоянная Планка, а – которые разыгрались в начале XX века. Действительно, частота света.

еще в начале XIX века работы О. Френеля завершили Проверке справедливости гипотезы Эйнштейна и победное шествие волновой модели света. В середине XIX века работы М. Фарадея и Дж. Максвелла позволи- конкретно уравнения (3) были посвящены многочисли создать детальное описание электромагнитного по- ленные эксперименты (Ф.Э.А. Ленарда, П.И. Лукирского, А.Ф. Иоффе, Р.Э. Милликена). Они качественно ля. В физику понятие поля ввел Фарадей, а уравнения и количественно подтвердили справедливость и самой Максвелла позволили в рамках единого подхода описать гипотезы световых квантов и уравнения (3).

все известные оптические явления. В конце XIX века эксперименты Г. Герца продемонстрировали существоТаким образом, эта работа Эйнштейна представлявание электромагнитных радиочастотных волн, основла собой новый и принципиальный шаг в возрождении ные свойства которых аналогичны свойствам световых корпускулярной модели света. Открытие в 20-х годах волн. Триумф волновой модели света представлялся не XX века эффекта Комптона (рассеяния рентгеновских подлежащим сомнению.

лучей) и эффекта Рамана (комбинационного рассеяВажно также отметить, что теория электромагнит- ния света) явилось независимым дополнительным подного поля Максвелла позволила получить строгое дока- тверждением корпускулярной модели света.

зательство справедливости принципа причинности для К 20-м годам XX века вся совокупность эксперитакой новой формы существования материи, как электментальных данных, относящихся к природе света, ромагнитное поле. Для этого требуется лишь правильно указывала на корпускулярно-волновой дуализм света.

выбрать набор параметров, характеризующих электроТак, если экспериментальные данные, относящиеся к магнитное поле и заряды, – напряженности электричефотоэффекту, эффектам Комптона и Рамана, были убедительным доказательством корпускулярной природы ской E и магнитной H составляющих и плотности засвета, то результаты многочисленных экспериментов, рядов и токов j. Напомним, что в рамках механики в которых наблюдались дифракция и интерференция Ньютона такое доказательство получено лишь для ма- света, были не менее убедительным доказательством волновой природы света.

терии в виде частиц, имеющих массу покоя (см. выше, раздел 2а). Отметим, что как уравнение Ньютона, так и Однако теоретически корпускулярно-волновой дуауравнения Максвелла обратимы во времени.

лизм природы света следовал уже из результатов рабоМонопольное положение волновой модели света ты того же Эйнштейна 1909 года, посвященной теории было для всех неожиданно поколеблено двумя работа- процесса флуктуаций излучения. Эта работа не так шими Эйнштейна, в 1905 и 1909 годах. Одна из этих ра- роко известна, как работа, объясняющая природу фобот – это всем известная знаменитая работа 1905 года, тоэффекта, несмотря на следующий из нее важнейший в которой Эйнштейн ввел понятие кванта света. Эйн- вывод о природе света. Для нас интересно, что именно штейн обратил внимание на результаты опытов Г. Гер- эта работа совместно с работой о фотоэффекте инициица, А.Г. Столетова, Ф.Э.А. Ленарда и Дж.Дж. Томпсона ровала де Бройля, также занимавшегося в 1922–1923 гопо наблюдению и исследованию процесса вырывания дах флуктуацией излучения, на формулировку своей электронов из металлической поверхности электрода гипотезы о корпускулярно волновой природе микрочаразрядного промежутка. Тот факт, что энергия вырыва- стиц. Эйнштейн в своей работе исходил из каноничесемых электронов не зависела от интенсивности, а зави- кого распределения Гиббса для физической статистики.





села лишь от частоты излучения, было невозможно С использованием распределения Гиббса для квадраобъяснить в рамках волновой модели света. Гениаль- тичной флуктуации энергии излучения получается соность Эйнштейна хорошо проявилась в его подходе к отношение СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №6, ФИЗИКА волнового дуализма природы микрочастиц. Прежде чем ----------- ( E)2 = E2 – E = kT2 d E. (4) обратиться к изложению и обсуждению гипотезы де dT V Бройля, интересно и поучительно рассмотреть те предВ (4) k – постоянная Больцмана, … – усреднение по посылки, которые привели автора к этому выдающемуансамблю фотонов, T – температура излучения, а E – ся открытию.

спектральная плотность излучения в замкнутом объеме При создании новой физической теории сущестV (то есть энергия в единице объема и единичном инвенную роль играют фундаментальные идеи, так как тервале частот).

началом являются всегда мысли, а не формулы. Идеи Для E известны три формулы: формула Вина для лишь в дальнейшем должны быть облечены в матемасвета высоких частот, формула Рэлея–Джинса для тические формулы для того, чтобы иметь возможность низких частот и универсальная формула Планка для их сопоставлять с другими теориями и эксперименпроизвольных частот. Подставляя в формулу (4) сооттальными данными. Сам де Бройль в диссертации, наветствующие выражения можно получить для квадраписанной в 1924 году, говорит о своем открытии так:

тичной флуктуации формулы (5) для высоких частот, “После долгих размышлений и раздумий я внезапно (6) для низких частот и (7) для произвольных частот понял в 1923 году, что открытие, сделанное Эйнштейследующие соотношения, в которых c – скорость света:

ном в 1905 году, следует обобщить и распространить на все материальные частицы, в частности на электроны”.

c3 h E, если h ----------- E, (5) 2 Таким образом, революционная идея Эйнштейна о корпускулярно-волновой природе света была тем стиc3 - c3 - мулирующим импульсом, который привел де Бройля к ( E)2 = ----------- E, если h ----------- E, (6) 2 8 8 распространению этой идеи на частицы.

Из книги де Бройля [4], а также из его оригинальc3 - h E + ----------- E, если h произвольно.

ных работ 20-х годов можно увидеть еще несколько во(7) просов, занимавших его в период созревания гипотезы Видно, что формула для высоких частот (5) имеет о корпускулярно-волновом дуализме микрочастиц.

типично квантовый характер (множитель h !), формуДе Бройль обратил внимание на тот факт, что элекла (6) для низких частот – волновой характер, а универтрон, находящийся в атоме в стационарном состоянии, сальная формула (7) является суммой формул (5) и (6), описывается в теории Бора с помощью постоянной так что она отражает и квантовые и волновые свойства Планка h. Действительно, второй постулат Бора форизлучения. Из совокупности этих формул видно, что мулируется как h = Em - En, где Em и En – значения излучение обладает одновременно и квантовыми и волэнергии стационарных состояний, а h – энергия поновыми свойствами и лишь в предельных случаях низглощаемого или излучаемого фотона при переходе ких или высоких частот можно пренебречь соответстмежду ними. Из сопоставления этого выражения с вывенно квантовыми или волновыми свойствами. Сам ражением (3) для закона Эйнштейна для фотоэффекта Эйнштейн о первом члене уравнения (7) сказал: “…есвозникло предположение, что если появляется постоли бы он был единственным, то давал бы такие флуктуаянная Планка, то это является признаком наличия ции энергии излучения, как будто оно состоит из незакорпускулярно-волнового дуализма.

висимых квантов с энергией h ”.

Другим фактом, привлекшим внимание де Бройля, Это поразительное теоретическое предсказание было формальное сходство между классической мехакорпускулярно-волнового дуализма света разрешило никой и геометрической оптикой, которое отметил еще споры о природе света, длившиеся в течение многих У.Р. Гамильтон в начале XIX века. Однако оставалось веков.

неясным, как сопоставить движение частицы и волны.

Заканчивая рассмотрение состояния исследований Так, в случае частицы речь идет о скорости перемещеприроды света, еще раз подчеркнем, что к моменту нания материального тела, а в случае волны – о фазовой чала исследований де Бройля был окончательно устаскорости. Напрашивалась необходимость как-то свяновлен корпускулярно-волновой дуализм свойств света.

зать величины, описывающие волну, с величинами, характеризующими частицу. При этом представлялось 3. ГИПОТЕЗА ДЕ БРОЙЛЯ заманчивым выполнить это, используя постоянную Планка h.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.